Melhoramento de Plantas e Indução de mutações

Gregor Mendel (1822 – 1884)

- Monge Agostiniano - Austríaco- Publicou dois trabalhos clássicos

1. “ Ensaios com plantas híbridas” (Versuche über Planzenhybriden)

2. “ Hierácias obtidas pela fecundação artificial“

1865 - formulou e apresentou em dois encontros da Sociedade de História Natural de Brno (Rep. Theca) as leis da Hereditariedade, hoje chamadas Leis de Mendel, que regem a transmissão dos caracteres hereditários.

- Ervilha é uma espécie autógama- produzem sementes amarelas ou sementes verdes

Pl. semente verde X Pólen pl. sem. amarela

Pl. semente amarela X Pólen pl. sem. verde

F1 – 100% semente amarela (Vv)

F1 – 100% semente amarela (Vv)

F2 – 3:1 amarela: verde (VV e Vv):(vv)

F2 – 3:1 amarela: verde (VV e Vv):(vv)

Interpretação dos resultados

- Estudo de um caráter (cor da sementes);

- Primeiro a admitir a existência de fatores que passam dos pais para os filhos “por meio de gametas” (hereditariedade);

- Cada fator seria responsável pelo aparecimento de um caráter;

- Concluiu que o fator verde só se manifestava em indivíduos puros;

1ª lei de Mendel

- Lei da segregação ou lei da pureza dos gametas: Na formação dos gametas, os pares de fatores segregam.

- Estudo de dois caracteres (cor da sementes e rugosidade da casca);

- Observou que em F2, havia uma segregação de 9:3:3:1

2ª Lei de Mendel

- Lei da segregação independente: Duas características são transferidas independentemente e ao acaso.

1900 - Correns (Alemanha)Tschermak (Áustria) BotânicosDe Vries (Holanda)

Redescobrem o trabalho de Mendel, demonstrando a sua importância e estabelecendo as Leis de Mendel.

0123456789

10

0 40 80 120 160 200

Nitrogênio (Kg/ha)

Pro

duçã

o (t

/ha)

porte altoporte anão

Produtividade de grãos de cultivares de porte alto e anão de arroz, em resposta às diferentes aplicações de nitrogênio (modificado de Frey, 1981)

Importância de Programas de Melhoramento de Plantas

- Maior produtividade (produção por unidade de área);

- Alimentos com maior qualidade;

- Maior resistência a pragas e doenças;

- Maior resistência a estresses abióticos (ambientais);

(exs: seca, encharcamento, calor, frio, solos ácidos…)

- Alimentos com maior capacidade de conservação pós-

colheita ;

- Novidades (novas formas, cores, sabores, etc…)

Objetivos Gerais do Melhoramento de Plantas

Conhecimentos nas seguintes áreas:

- Genética;

- Fisiologia e Bioquímica;

- Botânica;

- Entomologia;

- Fitopatologia;

- Estatística e princípios de experimentação;

- Biologia Molecular

- Outras…

Necessidades do Melhorista ou da Equipe

Conhecimentos da cultura em que se deseja trabalhar

(incluindo os parentes selvagens):

- Estrutura reprodutiva e modo de reprodução;

- Nível de heterozigozidade e estrutura genética de população;

- Características morfológicas e de interesse agronômico;

(todas as características da variedade ou espécie …)

- Práticas de cultivo da cultura;

- Condições edafoclimáticas da região de cultivo;

- Necessidades do produtor e do consumidor;

Necessidades do Melhorista ou da Equipe

- Espécies Autógamas - Métodos genealógico, população,

descendente de uma única semente e modificações,

retrocruzamentos e uso de híbridos.

- Espécies Alógamas - Seleção recorrente, híbridos,

melhoramento de variedades e linhagens ;

- Espécies de propagação assexuada - Seleção clonal

- Espécies perenes;

Métodos de Melhoramento

De modo geral, os métodos de melhoramento por

cruzamento envolvem duas etapas muito importantes:

- Geração ou obtenção de variabilidade genética;

- Seleção;

Obs. Seleção não cria variabilidade, atua sobre a existente

Métodos de Melhoramento

Fontes de Variação

Diferenças entre plantas, tem basicamente três origens:

- Diferenças de ambientes onde as plantas estão crescendo;

- Diferenças devido às interações entre plantas e ambientes;

- Diferenças genéticas entre plantas;

Variação genética devido a recombinação e mutação

- No entanto, as mutações são as únicas fontes de nova variabilidade genética,

sem a qual a evolução não poderia progredir por muito tempo (Paiva e Valois,

2001)

Geração ou obtenção de variabilidade genética

- Cruzamentos com variedades elite (maioria dos casos);

- Cruzamentos com variedades contendo caract. de

interesse;

- Cruzamentos com germoplasma exótico (variedades ou

espécies selvagens);

- Introdução de germoplasma exótico (variedades e espécies

selvagens);

- Indução de mutações;

- Variação somaclonal;

- Transgenia;

MUTAÇÕES

Definições:

1. Alteração na seqüência de bases do DNA, quer seja por substituição, deleção ou inserção de nucleotídeos. 2. Processo de ocorrência geral em todos os seres vivos, de valor evolutivo, pois constitui-se em fonte de alelos, proporcionando variabilidade. Alterações cromossômicas numéricas ou estruturais são denominadas mutações cromossômicas. 3. Processo que produz um alelo (ou fenótipo) diferente do tipo selvagem.

Fonte: Glossário de biotecnologia (2005)

Classificação das lesões mutantes (Drake, 1970):

- Microlesões - Modificações de par de base (substituição) ou mutações frame shift (inserção ou deleção de par de base). = mutações ponto

-Macrolesões – Deleções, duplicações e rearranjos. = mutações que envolvem grande número de bases

-Mutações ponto ou gênicas

A

A

A

a

A

a

a

a

- Mutações cromossômicas

Estruturais Numéricas

A B C

A B C

A B C

B C

A

A

A

A

A

A

Classificação das mutações (Manual on Mutation Breeding, 1977):

1.Genômicas

2. Cromossômicas

3. Extra nucleares

1. Mutações Genômicas

Mutações que envolvem a modificação do número cromossômico

- Poliploidia (n, 3n, 4n e etc...)

- Aneuploidia - Aneuplóide é a célula que teve o seu material genético alterado, sendo portador de um número cromossômico diferente do normal da espécie

-Link livro An introduction to genetic analisys http://www.ncbi.nlm.nih.gov/books/bv.fcgi?call=bv.View..ShowTOC&rid=iga.TOC&depth=10

1. Mutações Genômicas

Aneuploidia - Aneuplóide é a célula que teve o seu material genético alterado, sendo portador de um número cromossômico diferente do normal da espécie - Monossomia (2n – 1)

- Nulissomia (2n – 2) – ausência de um par de cromossomos (Ex. trigo)

- Trissomia (2n + 1) Ex. Trisssomia 21 – síndrome de Down

2. Mutações Cromossômicas

Mutações que envolvem a modificação nos cromossomos, sem alteração do número cromossômico

- Rearranjos estruturais: translocações, inversões, duplicações e deficiências

- Mutações gênicas

Mutações gênicas

Critérios para a classificação como mutação gênica

(pensamento da época = genética clássica, sem a biol. molec.)

- Não há a presença de irregularidade citológica;

- A segregação do heterozigoto é normal; (O fenômeno da letalidade no homozigoto não deve ocorrer)

- A mutação é completamente reversível;

3. Mutações extra nucleares

DNA mitocôndrial e cloroplastidial

- importância agronômica:

sistemas de macho-esterilidade citoplasmática;

Mutações

Espontâneas

Induzidas

Mutações espontâneas

Definição: mutação não induzida, i.e., que ocorre na ausência de qualquer agente mutagênico conhecido. São provocadas, basicamente, por erros durante a duplicação do DNA.

Ocorrem com baixa frequência na natureza, mas são muito importantes para a agricultura

Frequência de mutação Waxy no grão de milho

- Espontânea = 0,0001 %- Induzida = 1%

Mutação espontânea

Ex .: laranja Seleta laranja Baia laranja Baianinha

Mutações espontâneas

Mecanismos:

- Tautomerismo: Deslocamento transitório de um hidrogênio de uma base nitrogenada, produzindo um isômero estrutural da base (com fórmula molecular idêntica, mas com propriedades químicas distintas) = tautômero A base nitrogenada tautômera poderá ser incorporada na fita durante a replicação, causando a substituição de base (transição).

Transição Transversão A G C G C T A T

T C

A G

Transição

Transição

TranversãoTranversão

Purinas

Pirimidinas

Mutações espontâneas

Mecanismos:

- Desaminação de bases: Ocorrem espontaneamente em reações de DNA que exigem pH e temperaturas adequadas.

Resultado: formação de Uracila, Xantina e Hipoxantina que são substâncias potencialmente mutagênicas. Estas podem provocar alterações de bases. - Erros da DNA polimerase: Enzima responsável pela duplicação da fita de DNA.

Mutações espontâneas

Mecanismos:

- Presença de elementos transponíveis no genoma:

- Transposon (elemento genético transponível) - Retrotransposons (classe de elementos móveis que se movimentam no genoma por meio de uma molécula intermediária de RNA que sofre transcrição reversa).

- Sob condições de estress, os transposons ou os retrotransposons podem se tornar ativos e “saltar” dentro do genoma (manter-se no mesmo local e inserir-se em outro local), ocasionando modificações genéticas.

Causas das mutações espontâneas

- Fatores intrínsecos: Constituição genética

- Fatores extrínsecos: Nutrição, temperatura, ação de radiações e presença de elementos transponíveis no genoma (transposons e retrotransposons)

1. Genótipo

- Há genes mais mutáveis ou instáveis. por ex. mais influenciáveis pela temperatura

- Há genes mutadores Ex. Gene recessivo em Drosophila que causa mutações na cor dos olhos e do corpo

- Razões: a) afetam mecanismo de reparo de DNA lesadob) afetam genes que codificam para a síntese de

aminoácidosc) afetam a DNA polimerased) Alteram a qualidade das bases nitrogenadas

Frequência de mutação espontânea em endosperma de milho

Gene Frequência/gameta

R (cor) 492 x 10-6 + mutável

I (inibidor de cor) 106 x 10-6

Pr (cor purpura) 11 x 10-6

Y1Su (açucar) 2,2 a 2,4 x 10-6

Sh (ebrugado) 1,2 x 10-6

Wx (waxy) 1,0 x 10-6 + estável

2. Fase da divisão celular

-Em Saccharomyces a % de mutação foi 10 a 30% maior durante a meiose do que durante a mitose

- Na mitose: Intérfase fase com menor % de mutações espontâneas

3. Idade

- Aumento na % de mutação ao longo do armazenamento de sementes (10 anos)

4. Condição nutricional

- Em arroz, a deficiência de P causava um aumento na % de mutações;- Em Tradescantia, a deficiência de Mg e Ca causava um aumento de 17X na % de mutações;

5. Temperatura

-Altas temperaturas causam maior % de mutações espontâneas;

Sementes que caem na terra, podem sobreviver a temperaturas de 50oC até germinarem na próxima estação

6. Radiações naturais

- Radiações do ambiente responsáveis por 2% das mutações espontâneas;

- Radiações terrestres: Raios-gama e raios X, originadas a partir do decaimento natural de elementos radioativos (Radio, Urânio).

- No Brasil e na Índia há um elevado grau de emissão de raios-gama em certos solos e regiões (Poços-de-Caldas)

6. Radiações naturais

- Radiações aéreas: raios cósmicos e luz U.V. do Sol.

Raios cósmicos geralmente são núcleos de H (sem os elétrons)